风机理论知识介绍讲解

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1、风力发电机组理论知识介绍（机械部分） 中船重工（重庆）海装风电设备有限公司中船重工（重庆）海装风电设备有限公司 问题一：为什么我们的风力发电机被称为： 三叶片、上风向、水平轴、变桨型风电机组三叶片、上风向、水平轴、变桨型风电机组 问题二：为什么我们的风力发电机组需要： 叶片、变桨轴承、变桨驱动、轮毂、主轴、主轴承、导流叶片、变桨轴承、变桨驱动、轮毂、主轴、主轴承、导流 罩、主齿轮箱、联轴器、高速轴制动器、机舱起重机、液罩、主齿轮箱、联轴器、高速轴制动器、机舱起重机、液 压单元、偏航驱动、偏航轴承、偏航刹车、塔筒压单元、偏航驱动、偏航轴承、偏航刹车、塔筒 1、风能利用的历史 人类利用风能已有数千

2、年历史，在蒸汽机发明以前风能 曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排 水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的 国家，约在几千年前，他们就开始用风帆来帮助行船，波斯 和中国也很早开始利用风能，主要是使用垂直轴风车。 欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴的 风车，18 世纪荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干， 造出的良田相当于国土面积的三分之一，成了著名的风车之 国。这种风车在欧洲大陆和英国的乡村是很普遍的，成为机 械能的主要来源。 19世纪中叶以后，美国大规模开发西部，为了解决人畜 饮水问题，制造了金属叶片的风轮，驱动活塞泵用于提水， 成为有名的美国农场风

3、车（如下图一所示），拥有量曾达到 600万台。 中国创造的立帆式垂直轴风轮，是将8个帆各编在一个 直立的杆上，各帆的正中上端则各由一绳系之，当地称此为 走马灯式风车（如下图二所示）。 图一 美国农场风车 图二 立帆式垂直轴风车 在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，其 后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各 种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不 方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘 汰。例如荷兰现存几百座风车，被作为文物保护起来，成为旅 游景观。 到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化 方面显示了重要的作用，特别是20

4、世纪70 年代以后利用风力 发电更进入一个蓬勃发展的阶段。 2、风力发电的发展 2.1 风力发电的特点 风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组（简称风 电机组）是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最 主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动 力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风 能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械 能转变成电能。 由于风速随时在变化，因此处在野外运行的风电机组承 受着十分复杂恶劣的交变载荷。目前风电机组的设计寿命 是20年，要求能经受住60m/s的级暴风袭击，机组的可 利用率要达到95以上。 2.2 风力发电的运行方式 风力发电的运

5、行方式主要有两类。一类是独立运行供电 系统，即在电网未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄 电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电， 单机容量一般为100W10kW；或者采用中型风电机组与柴 油发电机或太阳光电池组成混合供电系统，系统的容量约 为10200kW，可解决小的社区用电问题。另一类是作为 常规电网的电源，与电网并联运行，联网风力发电是大规 模利用风能的最经济方式。机组单机容量范围在200 2500kW之间，既可以单独并网，也可以由多台，甚至成百 上千台组成风力发电场，简称风电场。 2.3 风电的优点 风电的突出优点是环境效益好，不排放任何有害气体和废 弃物。平均每装一台单机容

6、量为1 兆瓦的风能发电机，每 年可以减排2000 吨二氧化碳（相当于种植1 平方英里的 树木）、10 吨二氧化硫、6 吨二氧化氮。 风电场虽然占了大片土地，但是风电机组基础使用的面积 很小，不影响农田和牧场的正常生产。 多风的地方往往是荒滩或山地，建设风电场的同时也开发 了旅游资源。 3、风能资源 3.1 风的形成 简单的说，太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大 气层中压力分布不均；空气沿水平方向运动形成风。风的 形成就是空气流动的结果。 3.2 大气运动的原因 a.地球大气运动既受气压梯度力的影响，还要受地转偏 向力的影响。由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不 同，在赤道和低纬度地区，太

7、阳高度角大，日照时间长， 太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高； 再高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接 受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差 异，成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应 沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹 。 b.此外因为地球在自转，使空气水平运动发生偏向，这 个力称为地转偏向力，又叫科里奥利力，这种力使北半球 气流向右偏转，南半球向左偏转。 所以大气真实运动是这两种力综合影响的结果。 3.3 地形对风的影响 山谷和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大， 而丘陵、山地会因为摩擦而使风速减小，孤立的山峰会因 海拔

8、高而使风速增大。 3.4 海风，陆风；山风，谷风 a.海风、陆风：大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向 海洋，到海洋上空冷却下沉，在近地层海洋上的气流吹向 大陆，补偿大陆的上升气流，低层风从海洋吹向大陆，这 被称为海风；夜间，情况相反，低层风从大陆吹向海洋， 被称为陆风。 b.山风、谷风：白天山坡受热快，温度高于山谷上方同 高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷 地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向 山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因冷却降温速度比同高度 的空气快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。 3.5 风能来源 风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地

9、球 的能量是174,423,000,000,000千瓦，换句话说，地球每小 时接受了1.74 x 1017 瓦的能量。风能大约占太阳提供总能 量的百分之一，二，太阳辐射能量中的一部分被地球上的植 物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是生物能的50 100 倍。 3.6 风功率的计算 风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以 用下列公式计算： 能量=1/2 X 质量X(速度)2 吹过特定面积的风的功率可以用下列公式计算： 功率=1/2 X 空气密度X 面积X(速度)3 其中，功率单位为瓦特；空气密度单位为千克/立方米；面 积指气流横截面积，单位为平方米；速度单位为米/秒。 于上述公式中

10、可以看出，风功率与速度的三次方立方 成正比，并与风轮扫掠面积成正比。不过实际上，风轮只 能提取风的能量中的一部分，而非全部。 3.7 中国风能资源 我国10 米高度层的风能资源总储量为32.26 亿千瓦， 其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53 亿千瓦。而据 估计，中国近海风能资源约为陆地的3 倍，所以，中国可开 发风能资源总量约为10 亿千瓦。其中青海、甘肃、新疆和 内蒙可开发的风能储量分别为1143 万千瓦、2421 万千瓦、 3433 万千瓦和6178 万千瓦，是中国大陆风能储备最丰富的 地区。 3.8 中国风力资源分布 东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能 密度大于或等

11、于200 瓦/平方米，沿海岛屿有效风能密度 在300 瓦/平方米以上，全年中风速大于或等于3 米/秒的 时数约为70008000 小时，大于或等于6 米/秒的时数为 4000 小时。 新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富的 地区，有效风能密度为200300 瓦/平方米，全年中风速 大于或等于3 米/秒的时数为5000 小时以上，全年中风速 大于或等于6米/秒的时数为3000 小时以上。 黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也 较好，有效风能密度在200 瓦/平方米以上，全年中风速 大于和等于3 米/秒的时数为5000 小时，全年中风速大于 和等于6 米/秒的时数为3000

12、小时。 青藏高原北部有效风能密度在150200 瓦/平方米之间, 全年风速大于和等于3 米/秒的时数为40005000 小时，全 年风速大于和等于6 米/秒的时数为3000 小时；但青藏高原 海拔高、空气密度小，所以有效风能密度也较低。 云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西 部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅 鲁藏布江为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50 瓦/平方 米以下，全年中风速大于和等于3 米/秒的时数在2000 小时 以下，全年中风速大于和等于6 米/秒的时数在150 小时以下 ，风能潜力很低。 4、风力机的工作原理 4.1 风力机的种类 风力机经过200

13、0年的发展过程，现在已有很多种型式! 其中有的是老式风力机，现在不再使用；有的是现代风力 机，正为人们广泛利用；有的正在研究之中。尽管风力机 的型式各异，但它们的工作原理是相同的，即利用风轮从 风中吸收能量，然后再转变成其他形式的能量。 依风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类， 可分为两类：1）水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行 ；2）垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向 。 4.2 基本原理 功率系数功率系数( (风能利用系数）风能利用系数） 空气密度，空气密度，kg/mkg/m 3 3 A A 转轮旋转圆面积，转轮旋转圆面积，mm 2 2 V V 风速，风速，m/sm

14、/s 风力机的输出功率风力机的输出功率L L (W)(W) 风 能风 能机械能机械能电 能电 能 风轮风轮发电机发电机 4.3 风力机主要部件结构NORDEX80/2500kW型 1、叶轮 2、轮毂 3、机舱内框架 4、叶轮轴与主轴连接 5、主轴 6、齿轮箱 7、刹车盘 8、发电机的连接 9、发电机 10、散热器 11、冷却风扇 12、风测量系统 13、控制系统 14、液压系统 15、偏航驱动 16、偏航轴承 17、机舱盖 18、塔架 19、变桨距部分 REPOWER 1.5MW Vestas v90_200kVestas v90_200k 风机结构风机结构 5、风轮类型 5.1单叶片风轮 空

15、气动力特性和转子动力特性均不平衡 缺点：产生大幅值的交变应力，降低产品寿命。 5.2 双叶片 空气动力特性和转子动力特性比较平衡 优点：风轮效率比三叶片高点。 缺点：a.2叶片风轮的动态载荷比3叶片风轮的 动态载荷大得多。 b.2叶片风轮噪声大、运转不平稳、成 本高。风轮的气动效率大约降低23左右。 轮毂也比较复杂。 5.3 三叶片 空气动力特性和转子动力特性比较平衡 优点：a.3叶片使风力发电机组系统运行平 稳，基本上消除了系统的周期载 荷，输出稳定的转矩。 b.美观，风轮效率较高。 6、传动链类型 传动链类型分为有齿轮箱和直驱式两大类，而带齿轮箱 的传动链常见的是二点支撑和三点支撑。 传动

16、链好坏的评价，主要是从齿轮箱、主轴承、主轴的 受力特性、可维护性、是否易装配和带来的整机重量等方面 来分析的。 6.1 二点支撑的传动链 安装有两个独立的主轴滚子 轴承，前一个轴承仅承受径 向力，后一个轴承承受径向 力和轴向力。齿轮箱仅传递 扭矩，减少了齿轮箱载荷的 复杂性，大大提高了齿轮箱 的寿命，部件安装较方便， 内部空间较大，便于进行维 护，且对齿轮箱进行大的维 护时，不需要特别的工装对 风轮进行稳定。缺点是主轴 较长较重。 6.2 三点支撑的传动链 主轴前段安装一个滚子轴 承，齿轮箱内部集成一个滚 子轴承，齿轮箱不仅传递扭 矩，还要承受风轮传递的其 他载荷（如弯矩、翘曲等） 。缺点是主轴较长较重，对 齿轮箱进行大的维修和更换 困难，需要用特别的工装对 风轮进行平衡。 带齿轮箱的风力发电机组是目前MW级商业运用中使用 最多的机组，开发有不同的传动链方案，它们的共同特点 是均配备有增速齿轮箱，采用异步电机。但在风机运行过 程中，增速齿轮箱的故障发生率较高。这